吳春梅，趙 勇，姜 赫，熊春宇

（1.大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江大慶163712；

2.大慶油田有限責(zé)任公司電力集團(tuán)公司，黑龍江大慶163711）

□油氣田工程與研究

利用電導(dǎo)傳感器測(cè)量油水兩相流中含水率的研究

吳春梅1，趙 勇2，姜 赫1，熊春宇1

（1.大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江大慶163712；

2.大慶油田有限責(zé)任公司電力集團(tuán)公司，黑龍江大慶163711）

兩相流是石油開采中始終存在的一種現(xiàn)象，含水率的多少直接反映了開采的經(jīng)濟(jì)效益，要想準(zhǔn)確測(cè)試出這兩相中的含水率，利用電導(dǎo)傳感器進(jìn)行測(cè)試已成為現(xiàn)在的測(cè)試熱點(diǎn)。文章首先介紹了電導(dǎo)傳感器測(cè)試含水率的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理，然后通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定測(cè)試所得的含水率，再與實(shí)際含水率對(duì)比，從而驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的測(cè)試出原油含水率。

電導(dǎo)傳感器；含水率；油水兩相流

0 引言

在石油行業(yè)和化工行業(yè)中存在著兩相或多項(xiàng)流體的流動(dòng)過程［1-3］。其中兩相流是指由兩種成份的流體組成，例如油水兩相流是指油相和水相這兩種不同的物質(zhì)相互混合構(gòu)成的流動(dòng)體系。由于各成份之間存在著密度、粘度等自身物質(zhì)性參數(shù)的差異，同時(shí)在外界因素比如流量、壓力、重力及管道形狀等若干因素的影響下，導(dǎo)致兩相流參數(shù)檢測(cè)十分困難［4-5］。在石油開采的過程中，油水兩相流混合物的流動(dòng)始終存在于石油管道輸送中，也就是說它們是同時(shí)產(chǎn)出并以混合物的形式輸送的。在石油開采中由于地層水的存在，尤其進(jìn)入油田開采的中后期，混合物的含水率更高，如，現(xiàn)在大慶油田其綜合含水率已經(jīng)高達(dá)90%以上，這樣精確探測(cè)井下油田非常苛刻，要求儀器有耐高溫、耐高壓、體積小等特點(diǎn)，本文采用電導(dǎo)傳感器對(duì)井下進(jìn)行測(cè)試，從而得出其含水率。

1 油水兩相流中含水率測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)

由于電導(dǎo)傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以在油水兩相流復(fù)雜的環(huán)境中很實(shí)用，對(duì)油水兩相流的含水率檢測(cè)時(shí)采用的是四電極結(jié)構(gòu)的阻抗傳感器［6］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：其中激勵(lì)信號(hào)加在激勵(lì)電極E1、E2上，響應(yīng)電極A1、A2輸出檢測(cè)區(qū)域的等效電阻，其中激勵(lì)信號(hào)由恒流激勵(lì)源來激勵(lì)，利用流體的阻抗和相持率之間的理論間接求出含水率。

圖1 含水率測(cè)量傳感器

2 利用電導(dǎo)法測(cè)試含水率的基本工作原理

對(duì)于油水混合物來說，從介質(zhì)的本身性質(zhì)出發(fā)水是連續(xù)介質(zhì)，油是離散介質(zhì)，油泡的尺寸和空間的分布情況隨時(shí)間在時(shí)刻發(fā)生變化，現(xiàn)假設(shè)流過傳感器流體的混合相電導(dǎo)率為σm，連續(xù)水相電導(dǎo)率為σm，儀器的標(biāo)定系數(shù)為k，其中混合相時(shí)電極上的電流為I1，電壓為V1，純水相時(shí)的電流為I2，電壓為V2。

式中，σ稱為歸一化的電導(dǎo)率，要求出油水兩相流中的含水率必須求出歸一化電導(dǎo)率和含水率的關(guān)系，即理論模型。流體中各成分的含量與混合流體的流動(dòng)速度以及流型有直接的關(guān)系，不同的流型建立不同的理論模型。

在所用的模型中，Maxwell模型用的最多，它做了如下假設(shè)，即假設(shè)所有的油分子在形狀尺寸上接近于球形，并且相互不受干擾，從而得出歸一化電導(dǎo)率與含水率的關(guān)系模型如下：

其中β為兩相流流體的含水率。Bruggeman對(duì)Maxwell模型進(jìn)行延伸，解決了隨機(jī)尺寸分布的問題，Bruggeman模型如下：

Begovich＆Waston模型也較好的建立了歸一化電導(dǎo)率和含水率之間的模型，模型如下：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)是把四電極傳感器安裝在采油廠某口井下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示：

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置圖

通過試驗(yàn)得到電導(dǎo)率與電壓的關(guān)系如表1所示：

表1 電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果

表2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

又由Begovich＆Waston及李英偉［7］等人的模型分析可知，只要能夠測(cè)試出電導(dǎo)傳感器的輸出電壓，就可以推算出油水兩相流的含水率，從表中的計(jì)算不難看出大慶現(xiàn)在含水率已經(jīng)達(dá)到95%以上。

4 結(jié)語

通過搭建電感傳感器測(cè)試系統(tǒng)對(duì)大慶油田某口井進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試出兩相流電壓和全水相電壓，從而得出含水率，并通過與實(shí)際開采中得到的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)基本相吻合，進(jìn)而說明采用電導(dǎo)傳感器能夠精確測(cè)試出石油開采中兩相流中的含水率，這也為其他兩相流測(cè)試提供了實(shí)驗(yàn)方法。

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Study on Conductance Sensor M easuring M oisture Content in Oil／W ater Two Phase Flow

WU Chun-mei1，ZHAO Yong2，JIANG He1，XIONG Chun-yu1
（1.College of Physics and Electrical Information Engineering，Daqing Normal University，Daqing 163712，China；2：Electric Power Group，Daqing oilfield，Daqing 163712，China）

two phase flow is a kind of phenomenon always exists in the oil，how much moisture content directly reflects the economic benefit ofmining，in order to accurately test themoisture content of the two phase，using conductance sensortesthas become a hot testnow.Article first introduced the conductivity sensor testingmoisture content of the structureand measuring principle，and then through the field test test test data，through the analysis of experimental data，determine the test themoisture content is obtained and compared with actualwater cut，and validation testing system can accuratelytest themoisture content of crude oil.

conductivity sensor；moisture content；oil-water two phase flow

吳春梅（1980-），女，黑龍江大慶人，大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院講師，從事傳感技術(shù)和材料研究。

大慶師范學(xué)院青年基金項(xiàng)目（11ZR11）。

TP216.1

A

2095-0063（2013）06-0083-03

2013-03-10